數(shù)字相控陣雷達同步技術(shù)研究與實現(xiàn)

張 銳，關(guān) 煬

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

雷達有多種分類方式，按照天線的掃描方式大致可分為兩種：機械掃描雷達和相控陣雷達[1]。

相控陣雷達是通過控制天線陣面上每個獨立發(fā)射—接收單元之間的相位差，來改變整個天線陣面方向圖，從而實現(xiàn)波束形成及掃描的雷達技術(shù)，其優(yōu)點是掃描速度快、抗干擾能力強、可靠性高。數(shù)字相控陣在此基礎(chǔ)上集成了數(shù)字陣列，其優(yōu)點是利用快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)，提供了更強的波束賦形的靈活性、多域抗干擾和多目標探測的能力。

超寬帶數(shù)字射頻前端是指使用了超寬帶數(shù)字采樣技術(shù)的射頻收發(fā)前端，并且使用數(shù)字信道化、數(shù)字脈沖壓縮等算法，提高目標分辨率、目標識別能力、多目標能力等。同時，可實現(xiàn)軟件化，根據(jù)指令改變工作模式以適應(yīng)不同作戰(zhàn)需求的技術(shù)。

超寬帶數(shù)字相控陣是指集成超寬帶數(shù)字射頻前端陣列的相控陣雷達，是目前最為先進的相控陣雷達技術(shù)，是雷達技術(shù)發(fā)展的趨勢。

1 技術(shù)應(yīng)用背景

越來越多的雷達使用超寬帶射頻前端組成天線陣面，采用數(shù)字波束形成方法進行天線陣面指向的掃描，以及波束賦形來適應(yīng)不同的作戰(zhàn)需求[2]。

但是數(shù)字波束形成性能受到陣面同步的影響，可能是制約其發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。其原因如下：

一個M×N個輻射單元的陣面，其陣因子如式（1）所示：

本文設(shè)計的同步系統(tǒng)在某相控陣雷達上成功應(yīng)用，同步功能是超寬帶數(shù)字相控陣雷達亟需重視的一個部分，只有解決大規(guī)模超寬帶數(shù)字射頻前端同步工作的難題，才能實現(xiàn)波束形成。超寬帶數(shù)字射頻前端中的轉(zhuǎn)換器采樣率會非常高，進而使轉(zhuǎn)換器之間的同步成為一個難題，本文的主要研究內(nèi)容在于如何實現(xiàn)數(shù)字射頻前端間的同步。

2 總體設(shè)計

本項目中的天線陣面采用瓦片式數(shù)字子陣，它是將雷達陣列射頻前端數(shù)字化、模塊化的一種模式，具有組陣靈活，能實現(xiàn)陣列與載體共形，更換、維修、測試方便等多種優(yōu)勢，其中，包括64 個天線單元和4 個TR 組件，并集成了1 個變頻組件和1個數(shù)字處理單元。

整個雷達組成如圖2 所示，陣面由64 個子陣組成的，每個子陣含一個超寬帶數(shù)字前端，對射頻信號進行全數(shù)字處理，產(chǎn)生的64 路基帶信號通過陣面分配網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，送往波束形成單元進行數(shù)字波束形成處理，最終將處理完成的多波束信號送往信號處理機，并進行雷達檢測、跟蹤等信號處理工作，由顯示控制中心進行目標結(jié)果顯示及指令控制操作。

天線校準可以消除系統(tǒng)誤差時延不是本文說明的重點，本文通過一種創(chuàng)新的時間同步方案，消除的是超寬帶數(shù)字射頻前端帶來的隨機數(shù)字誤差時延，該誤差因為電磁、物理環(huán)境導(dǎo)致數(shù)字器件在運行中產(chǎn)生時序亞穩(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致前端之間產(chǎn)生隨機誤差。影響這種誤差的有包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換及數(shù)字預(yù)處理在內(nèi)的時鐘抖動，及同步信號的建立保持時間[4]。

3 實現(xiàn)方法

3.1 誤差影響估計

第2 節(jié)中，不同數(shù)字射頻前端間的延遲隨機誤差會帶來方向圖的失真，對于超寬帶數(shù)字射頻前端來說，會帶來的方向圖失真情況，以主瓣-3 dB 波束寬度為優(yōu)化目標，分析步驟如下：

（1）根據(jù)式（1）建模，在增加隨機誤差的情況下，進行方向圖仿真，得到方向圖-3 dB 波束寬度；

（2）改變相位隨機誤差，得到方向圖-3 dB 波束寬度隨相位誤差改變的情況。

如圖3 所示，本項目以8 單元線陣為例，橫坐標為延遲造成的相位隨機誤差角度，縱坐標為-3 dB波束寬度，根據(jù)仿真結(jié)果可知當(dāng)相位誤差超過9°時，-3 dB 波束寬度明顯增大，會造成方向圖失真。

本項目中頻信號頻率為350 MHz，因此，9°對應(yīng)的延遲誤差均值為25.7 ps，同步性能至少需要優(yōu)于此值。

3.2 同步系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 同步分配拓樸結(jié)構(gòu)

為了降低超寬帶數(shù)字射頻前端之間的相位誤差，實現(xiàn)同步，就需要前端間具有相同時間到達的工作時鐘和同步信號，由這兩個信號共同定義雷達回波和發(fā)射波形的起始點，進而保證不同前端間的初相對準。同時保證同步信號可以被工作時鐘穩(wěn)定采樣。本項目采用的拓樸結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

首先，使用功分器的樹形結(jié)構(gòu)對基準時鐘和同步信號進行分配，保證信號到達數(shù)字子陣時的一致性。

其次，在數(shù)字子陣內(nèi)部采用分布式鎖相環(huán)提供工作時鐘，保證輸入基準時鐘和工作時鐘的相位一致。并且實時監(jiān)控其相位關(guān)系。由于基準時鐘作為同步分頻起始，因此該時鐘具有很大的影響，監(jiān)控過程中出現(xiàn)問題，需要主動調(diào)整。

3.2.2 同步性能計算

子陣間延遲抖動包含兩部分，可寫成[5]：

式中，Tall為總抖動，Td為自由分頻的誤差，Tp分配路徑傳播時帶來的抖動誤差，由于本項目工作時鐘為960 MHz，若存在自由分頻，Td最小為1 ns，對應(yīng)本項目前端，造成的相位誤差至少為120°，已經(jīng)遠超指標，因此不能存在自由分頻問題。

根據(jù)高精度儀器測量和器件手冊相關(guān)指標，得到Tp≈20 ps，因此總抖動在20 ps，可以滿足9°的誤差要求。

3.2.3 同步信號采樣穩(wěn)定性預(yù)計

同步采樣器件建立保持時間在30 ps 左右，工作時鐘（960 MHz）對時鐘樹逐級分配后的同步信號進行采樣，用來定義轉(zhuǎn)換器輸出波形的初始時刻，根據(jù)分配網(wǎng)絡(luò)指標得到，120 MHz 同步信號偏斜為57 ps，960 MHz 時鐘偏斜為62 ps，因此，穩(wěn)定采樣窗口=1042 ps-30 ps-57 ps-62 ps=893 ps，采樣窗口雖然不大，但是也不算太嚴苛，為此，驗證同步性能，專門做了實物驗證，兩個數(shù)模轉(zhuǎn)換器同時工作時輸出信號同步效果見圖5 所示，測得數(shù)模轉(zhuǎn)換器在960 MHz 的工作頻率下能夠穩(wěn)定保持同步。除此之外，還設(shè)計了主動調(diào)整技術(shù)，來應(yīng)對預(yù)期外的問題。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 分布式零延時鎖相環(huán)系統(tǒng)

零延時鎖相環(huán)是一種具有特殊反饋環(huán)路的鎖相環(huán)技術(shù)，它的優(yōu)點是壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率經(jīng)過零延遲分頻器后，不會產(chǎn)生自由分頻導(dǎo)致的延時不確定性，并且還可進行ps 級的延時調(diào)整，因此比較適合應(yīng)用在對同步有一定要求的系統(tǒng)中。

分布式零延時鎖相環(huán)系統(tǒng)指的是，將鎖相環(huán)集成在每個超寬帶數(shù)字射頻前端中，為其提供分布式的頻綜系統(tǒng)，滿足數(shù)字射頻前端中的所有工作時鐘要求。

分布式鎖相環(huán)系統(tǒng)除了提供同步能力外，其更突出的優(yōu)點是，相比單個鎖相環(huán)，通道數(shù)量越多，相噪降低越多。

3.3.2 同步實時監(jiān)控與主動調(diào)整技術(shù)

上文提到，自由分頻誤差是不能容忍的，因此，必須要保證同步信號的建立保持時間，對其進行實施監(jiān)控。

為了進一步收斂時序，可以在系統(tǒng)中引入具有TDC 的反饋機制，提高系統(tǒng)冗余度和可調(diào)試性。

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time Digtal Converter，TDC）[6]的作用是可以測量時序之間的延遲量，將它用數(shù)字量來進行表示，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路主要由一個延時鏈和采樣模塊組成，延時鏈的精度由系統(tǒng)時鐘周期和延時鏈級數(shù)決定，當(dāng)芯片工作在1 GHz 時，系統(tǒng)時鐘周期為1000 ps，延時鏈精度需要小于500 ps 以保證延時精度，檢測的延時范圍需要覆蓋16 個系統(tǒng)時鐘周期。16 級時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器工作原理圖如圖6 所示。

根據(jù)時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的反饋，可以得到建立保持時間偏移量，據(jù)此，主動調(diào)節(jié)同步信號時延以保證穩(wěn)定采樣，杜絕自由分頻問題。

3.3.3 延遲估計的同步信號分配網(wǎng)絡(luò)

同步信號和時鐘的分配采用同步信號分配網(wǎng)絡(luò)，由于同步信號和時鐘需要嚴格控制延時，需要對該問題進行建模。

由式（3）可知，要保證嚴格時間同步，同步網(wǎng)絡(luò)需要考慮走線長度、傳輸線類型、線間距、材料溫度特性、過孔長度、線纜彎曲情況、連接器、時鐘分配芯片誤差等。根據(jù)特定模型可以計算出延遲誤差，做到延遲嚴格匹配的信號分配網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

大規(guī)模的超寬帶數(shù)字射頻前端是相控陣雷達發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)字同步問題一直是一個關(guān)鍵問題，本文中的系統(tǒng)設(shè)計了一種高精度的樣本級的同步系統(tǒng)，創(chuàng)新性地使用了分布式鎖相環(huán)、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器反饋機制、延遲估計的同步信號分配網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)，提供可靠的延遲計算和分析評估，并且在某64 數(shù)字陣列規(guī)模雷達設(shè)備上成功應(yīng)用，這使高達960 MHz采樣率的多個轉(zhuǎn)換器之間也能達到精確同步，同樣，本文開展的工作，作為分析依據(jù)和實現(xiàn)模型，也能為更高工作頻率的數(shù)字射頻前端提供有效的參考借鑒。